CN110350486A - 故障保护装置、变频器及电机驱动系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种故障保护装置、变频器及电机驱动系统，其中，故障保护装置包括采样电路、比较电路及控制模块，采样电路用于采样变频器的母线电压；比较电路的输入端与采样电路的输出端相连，比较电路根据异常的母线电压生成相应的故障信号；控制模块，其与比较电路相连，控制模块用于根据故障信号控制变频器停止输出PWM驱动信号。通过采用硬件的比较电路来检测异常的母线电压，并触发控制模块以控制变频器停止输出PWM驱动信号，可解决通过软件检测母线电压时由于时间的延迟而达不到有效保护的问题，大幅提升应答速度，保证变频器在各种极端场合下的安全性和可靠性。

Description

故障保护装置、变频器及电机驱动系统

技术领域

本发明涉及电机控制技术领域，具体而言，涉及一种故障保护装置、一种变频器及一种电机驱动系统。

背景技术

对于无电解电容的三相输入三相输出的AC-DC-AC变频器，通过合理的硬件设计结合电机软件控制算法，可将变频器DC-Link电容由大容量的电解电容换为小容量的薄膜电容，所需要的电容容值可以减小到传统有电解电容变频器的5％以下，从而大大减小了整个变频器的体积，降低了硬件成本，由于薄膜电容的可靠性远远大于电解电容，从而也提高了电机驱动系统的可靠性。

对于无电解电容的三相输入三相输出的AC-DC-AC变频器，传统的有电解电容的三相输入三相输出的AC-DC-AC变频器的异常电压的保护机制已经不适用，为了能够在极端的情况下，对电机及变频器出现的各种异常情况特别是异常电压故障能够做到及时、有效的保护，必须对其故障保护机制重新进行设计。

发明内容

本发明旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一。

本发明的一个方面提供了一种故障保护装置。

本发明的另一个方面提供了一种变频器。

本发明的再一个方面提供了一种电机驱动系统。

有鉴于此，根据本发明的一个方面，提供了一种故障保护装置，用于变频器，故障保护装置包括采样电路、比较电路及控制模块，采样电路用于采样变频器的母线电压；比较电路的输入端与采样电路的输出端相连，比较电路根据异常的母线电压生成相应的故障信号；控制模块，其与比较电路相连，控制模块用于根据故障信号控制变频器停止输出PWM(Pulse width modulation，脉冲宽度调制)驱动信号。

本发明实施例提供的故障保护装置，为了应对无电解电容的三相输入三相输出的变频器(以下简称无电解电容变频器)的母线电压变化极快(V/μs级)的情况，解决通过软件检测母线电压时由于时间的延迟而达不到有效保护的问题，区别于有电解电容变频器的母线电压的异常通过软件来进行保护，通过采用硬件的比较电路来检测异常的母线电压，并触发控制模块以控制变频器停止输出PWM驱动信号，可大幅提升应答速度。通过对保护机制的合理设计，扩展了无电解电容变频器在各种极端条件下的适用范围和应用场合，保证变频器在各种极端场合下的安全性和可靠性，具有重要的工程意义和实用价值。再加之无电解电容变频器相对传统的有电解电容变频器具有体积小，成本低，可靠性高的优点，大大提高了无电解电容变频器产品的市场竞争力。

另外，根据本发明提供的上述技术方案中的故障保护装置，还可以具有如下附加技术特征：

在上述技术方案中，优选地，控制模块包括硬件关断脚，其与比较电路的输出端相连，硬件关断脚根据接收到的故障信号控制变频器停止输出PWM驱动信号。

在该技术方案中，通过在控制模块中设置硬件关断脚，可实现充分的硬件控制，以便在接收到故障信号后迅速控制变频器停止输出PWM驱动信号，进一步确保了应答速度，实现了可靠的故障保护。

在上述任一技术方案中，优选地，比较电路包括低电压比较器和过电压比较器，低电压比较器根据小于低压阈值的母线电压生成低电压故障信号；过电压比较器根据大于第一高压阈值的母线电压生成第一过电压故障信号。

在该技术方案中，分别设置低电压比较器和过电压比较器，低电压比较器可检测母线电压是否降至低压阈值或其以下，即是否出现低电压故障，过电压比较器则可检测母线电压是否升高至第一高压阈值或其以上，即是否出现第一过电压故障，并在出现上述故障时生成相应的故障信号，二者互不干涉，可迅速、准确地检测出母线电压异常，从而大幅提升应答速度。比较电路采用的比较器为单个器件，工作可靠，且有助于简化比较电路的结构。

在上述任一技术方案中，优选地，采样电路包括串联的第一采样电阻和第二采样电阻，采样电路的输出端位于第一采样电阻和第二采样电阻之间。

在该技术方案中，通过在采样电路中设置两个串联的采样电阻，并将采样电路的输出端设置在两个采样电阻之间，可确保仅有一个输出端，便于与比较器的输入端相连，不必增设转换电路以将两个输出端转换为单个输出端，有助于进一步简化变频器的结构。

在上述任一技术方案中，优选地，故障保护装置还包括制动模块，用于在导通状态下消耗母线电压的多余能量；过电压比较器还根据大于第一高压阈值的母线电压生成中断指令；控制模块还包括处理器，其与过电压比较器的输出端及制动模块相连，处理器根据中断指令导通制动模块。

在该技术方案中，通过控制过电压比较器在检测到母线电压大于第一高压阈值的情况下生成中断指令，可触发控制模块的处理器的外部中断机制。通过将处理器的中断事件配置为导通故障保护装置的制动模块，以消耗掉母线电压的多余能量，可使母线电压迅速降低，实现可靠的故障保护。

在上述任一技术方案中，优选地，制动模块与采样电路并联，制动模块包括串联的制动电阻和触发晶体管，处理器与触发晶体管的基极相连。

在该技术方案中，具体限定了制动模块的结构。制动模块包括串联的制动电阻和触发晶体管，并与采样电路并联，处理器与触发晶体管的基极相连，可通过向触发晶体管的基极输入合适的电压而导通触发晶体管，从而将制动电阻接入变频器的主电路，消耗掉母线电压的多余能量，使母线电压迅速降低，实现可靠的故障保护。

在上述任一技术方案中，优选地，制动模块还包括与制动电阻并联的续流二极管，续流二极管的导通方向与触发晶体管的电流方向相反。

在该技术方案中，进一步限定了制动模块还包括与制动电阻并联的续流二极管。当触发晶体管由导通变为截止时，沿其导通时的电流方向(即集电极到发射极的方向)的电流由大变小，在制动的线圈中会感应出电势，该电势与母线电压相叠加，有可能将触发晶体管的集电极与发射极击穿。通过在制动电阻上并联续流二极管，并令续流二极管的导通方向与触发晶体管的电流方向相反，则感应的电势就使得续流二极管导通，从而将该电势短路，保护了触发晶体管，确保了故障保护装置的运行可靠性。此处的“续流”则是指线圈中的电流改由经过续流二极管继续流通。

在上述任一技术方案中，优选地，处理器还根据中断指令生成第一过电压故障信息；和/或处理器还与采样电路的输出端相连，处理器还基于母线电压小于低压阈值的情况，生成低电压故障信息。

在该技术方案中，虽然硬件关断脚可以快速反应，实现可靠的故障保护，但硬件关断脚仅在接收到故障信号时被触发，无法分辨不同的故障信号。通过结合发生不同故障时情况的不同，令处理器生成相应的故障信息，可便于用户了解故障情况，并制定相应的维修计划，有助于减少故障发生率，延长产品的使用寿命。具体地，由于母线电压达到第一高压阈值的同时，不仅会触发硬件关断脚，同时还会触发中断指令，因此处理器可以结合中断指令区分出过第一电压故障，并生成第一过电压故障信息。当处理器检测到硬件关断脚信号的同时，通过读取母线电压的瞬时值，由于无电解电容变频器的母线电压是波动的，当检测到母线电压的瞬时值比正常的波谷值还低很大余量，即小于低压阈值时，可认为发生了低电压故障，生成低电压故障信息。

在上述任一技术方案中，优选地，控制模块还与采样电路的输出端相连，控制模块根据大于第二高压阈值的母线电压生成零矢量刹车指令，第二高压阈值大于第一高压阈值。

在该技术方案中，大多数情况下，基于第一过电压故障信号执行的过电压保护都可以使母线电压有效地快速降下来。通过配置大于第一高压阈值的第二高压阈值，并令控制模块在母线电压超过第二高压阈值时生成零矢量刹车指令，可实现第二级的过电压保护，以应对搭载了无电解电容变频器的系统在使用时出现的不正常控制导致的母线电压进一步升高的情况，进一步提高了系统的可靠性。

在上述任一技术方案中，优选地，故障保护装置还包括直流母线电流检测器和过电流比较器，直流母线电流检测器用于检测变频器的母线电流；过电流比较器的输入端与直流母线电流检测器的输出端相连，过电流比较器根据大于电流阈值的母线电流生成过电流故障信号；控制模块还与过电流比较器的输出端相连，控制模块还用于根据电流故障信号控制变频器停止输出PWM驱动信号。

在该技术方案中，通过配置硬件的直流母线电流检测器和过电流比较器，可迅速检测母线电流，并提高母线电流超过电流阈值而发生过电流故障时的应答速度，保证变频器在各种极端场合下的安全性和可靠性，具有重要的工程意义和实用价值。再加之无电解电容变频器相对传统的有电解电容变频器具有体积小，成本低，可靠性高的优点，大大提高了无电解电容变频器产品的市场竞争力。

根据本发明的另一个方面，提供了一种变频器，包括如上述任一技术方案的故障保护装置，因而具有该故障保护装置的全部有益技术效果，在此不再赘述。

另外，根据本发明提供的上述技术方案中的变频器，还可以具有如下附加技术特征：

在上述技术方案中，优选地，变频器还包括整流模块、滤波薄膜电容和逆变模块，整流模块用于将交流信号变换为直流信号；滤波薄膜电容设置在整流模块的输出端；逆变模块设置在滤波薄膜电容的下游，用于将直流信号变换为预定频率的PWM驱动信号。

在该技术方案中，进一步限定了变频器还包括整流模块、滤波薄膜电容和逆变模块，以将交流信号先变换为直流信号，再进行滤波，最后转变为预定频率的PWM驱动信号(属于交流信号)，实现对后续交流电设备的可靠驱动。滤波薄膜电容取代了传统的电解电容，可减小整个变频器的体积，降低硬件成本，提高可靠性，大大提高了无电解电容变频器产品的市场竞争力。

根据本发明的再一个方面，提供了一种电机驱动系统，包括输入电源、电机及如上述任一技术方案的变频器，变频器连接在输入电源和电机之间。该电机驱动系统包括上述任一技术方案的变频器，因而具有该变频器的全部有益技术效果，在此不再赘述。

另外，根据本发明提供的上述技术方案中的电机驱动系统，还可以具有如下附加技术特征：

在上述技术方案中，优选地，电机为永磁同步电机，永磁同步电机在零矢量刹车状态下的电流始终小于永磁同步电机的退磁电流。

在该技术方案中，具体限定了电机为永磁同步电机，通过限定永磁同步电机在零矢量刹车状态下的电流始终小于永磁同步电机的退磁电流，也就是令电机理论上的瞬时最大电流低于电机的退磁电流，可确保足够的保护余量，避免电机在零矢量刹车保护过程中退磁，提高了电机驱动系统的可靠性。

根据本发明的附加方面和优点将在下面的描述部分中给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1示出了本发明的一个实施例的电机驱动系统的结构示意图；

图2示出了本发明的一个实施例的变频器在零矢量刹车时6路驱动PWM信号的输出状态示意图；

图3示出了本发明的一个实施例的电机驱动系统的电机在零矢量刹车保护状态下的短路电流和感应电压变化曲线；

图4示出了本发明的一个实施例的无电解电容变频器的母线电压保护逻辑示意图；

图5示出了本发明的一个实施例的无电解电容变频器的故障保护逻辑示意图。

具体实施方式

为了能够更清楚地理解本发明的上述目的、特征和优点，下面结合附图和具体实施方式对本发明进行进一步的详细描述。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是，本发明还可以采用其他不同于在此描述的方式来实施，因此，本发明的保护范围并不受下面公开的具体实施例的限制。

下面参照图1至图5来描述根据本发明的一些实施例提供的故障保护装置、变频器及电机驱动系统。

如图1所示，本发明一个方面的实施例提供了一种用于变频器的故障保护装置，适用于搭载有小容量薄膜电容的三相输入三相输出的电机变频驱动系统中。电机驱动系统包括输入电源(例如图1中为380V/50Hz的交流电源，图1中的电感L_in和电阻R_in代表输入电源的内部阻抗)、变频器和电机(如图1所示的Motor)，变频器连接在输入电源和电机之间，用于调整输出电压和输出频率，进而驱动电机转动。

具体而言，变频器为无电解电容的三相输入三相输出的变频器(以下简称无电解电容变频器)，包括整流模块10、滤波薄膜电容C_Film和逆变模块20。整流模块10用于将输入电源输出的交流信号变换为直流信号。滤波薄膜电容C_Film取代了传统的电解电容，设置在整流模块10的正极输出端P和负极输出端N之间，起到滤波作用。逆变模块20设置在滤波薄膜电容C_Film的下游，用于将直流信号变换为交流信号，具体变换为预定频率的PWM驱动信号。

对于无电解电容变频器，通过电机控制算法结合新型的电路拓扑结构，使直流支撑电容由大容量的电解电容换为很小容量的滤波薄膜电容C_Film以后，减小了整个变频器的体积，降低了硬件成本，提高了可靠性。在带来这些优点的同时，也使得变频器的故障保护变得更为复杂。本发明根据无电解电容变频器的电路拓扑结构，通过分析其故障产生机理，提出了有效的保护方案，大大提高了无电解电容变频器在各种极端情况下的可靠性和保护的有效性。

本发明实施例所提出的故障保护主要是指无电解电容变频器和电物理量相关的故障，主要是电压和电流异常时的保护。具体包括过电压OVP保护，低电压(也可称为欠电压)LVP保护，过电流OCP保护。其中，过电压OVP保护有二级保护机制，根据不同的保护方式和保护阈值分为OVP_L和OVP_H，以保证充分应对各种极端条件下OVP的有效保护。

在一些实施例中，通过分析无电解电容变频器的母线电压Vdc快速变化的条件和原因，对过电压OVP_L和低电压LVP故障提出了保护方案。

如图1所示，由于无电解电容变频器PN之间是小容量的滤波薄膜电容C_Film，对整流之后的母线电压Vdc没有很强的平滑滤波稳定能力，当电机驱动系统稍有变化时，其母线电压Vdc的变化率非常快，属于数量级为V/μs级别的高速变化。因此过电压OVP_L保护和低电压LVP保护需要相应的应答速度，而传统有电解电容变频器所采用的AD(Analog-to-Digital Convert，模数)采样再软件比较保护的方案，由于延迟比较大，对这种微秒级别变化的母线电压Vdc根本起不到有效的保护作用。本发明的实施例通过对于无电解电容变频器的过电压OVP_L和低电压LVP采用硬件比较电路来进行保护，可大幅提升应答速度。相应地，为故障保护装置配置采样电路、比较电路及控制模块，以实现上述过电压OVP_L保护和低电压LVP保护。

其中，采样电路设置在整流模块10的正极输出端P和负极输出端N之间。可选地，采样电路包括串联的第一采样电阻R₁和第二采样电阻R₂，采样电路的输出端位于第一采样电阻R₁和第二采样电阻R₂之间，可通过电阻分压来采样PN之间的母线电压Vdc。

可选地，比较电路具体包括低电压比较器32和第一过电压比较器34，低电压比较器32的正极输入端连接采样电路的输出端，负极输入端接入大小等于低压阈值的参考电压LVP，当采样的母线电压Vdc小于低压阈值时，低电压比较器32的输出端就输出低电压故障信号。第一过电压比较器34的正极输入端接入大小等于第一高压阈值的参考电压OVP_L，负极输入端连接采样电路的输出端，当母线电压Vdc大于第一高压阈值时，第一过电压比较器34的输出端就输出第一过电压故障信号。低电压比较器32和第一过电压比较器34互不干涉，可迅速、准确地检测出母线电压Vdc的异常，从而大幅提升应答速度。比较电路采用的比较器为单个器件，工作可靠，且有助于简化比较电路的结构。

控制模块与比较电路相连，可为MCU(Micro Controller Unit，微控制单元)，也可为DSP(Digital Signal Processing，数字信号处理)芯片，以实现数据处理和对逆变模块20的控制。控制模块具体通过6路驱动PWM信号来控制逆变模块20，此处的6路驱动PWM信号不同于逆变模块20输出的驱动电机的PWM驱动信号(PWM驱动信号为3路信号，分别对应于如图2所示的三相电的U相、V相、W相)，6路驱动PWM信号则包括如图2所示的3路上桥臂PWM信号U_P、V_P、W_P和3路下桥臂PWM信号U_N、V_N、W_N。可选地，控制模块设有硬件关断脚Gatekill，其与低电压比较器32和第一过电压比较器34的输出端相连，只要接收到低电压故障信号和第一过电压故障信号中的任一个，就控制逆变模块20停止输出PWM驱动信号，即母线电压Vdc有关的过电压OVP_L及低电压LVP均使用硬件比较器来快速触发控制模块的硬件关断脚Gatekill，从而及时关断6路驱动PWM，进而停止对电机的驱动，可实现充分的硬件控制，进一步确保了应答速度，实现了可靠的故障保护。

进一步地，第一过电压比较器34在检测到母线电压大于第一高压阈值的情况下，除生成第一过电压故障信号外，还生成中断指令INT，并发送至控制模块的处理器，以触发处理器的外部中断机制。故障保护装置还包括制动模块，处理器在接收到中断指令INT时，可发出制动信号(例如为脉冲宽度信号Pulse Width)以导通制动模块，进而消耗掉母线电压Vdc的多余能量，使母线电压Vdc迅速降低，实现可靠的过电压故障保护。

可选地，制动模块与采样电路并联，制动模块包括串联的制动电阻R_break和触发晶体管40(例如为IGBT，Insulated Gate Bipolar Transistor，绝缘栅双极型晶体管)，处理器与触发晶体管40的基极g相连，可通过向触发晶体管40的基极g输入合适的电压而导通触发晶体管40，从而将制动电阻R_break接入变频器的主电路，消耗掉母线电压Vdc的多余能量。

进一步地，制动模块还包括与制动电阻R_break并联的续流二极管D_c，续流二极管D_c的导通方向与触发晶体管40的电流方向(即集电极c到发射极e的方向)相反，可在触发晶体管40由导通变为截止时保护触发晶体管40不被击穿，确保了故障保护装置的运行可靠性。

在一些实施例中，进一步提出了过电压OVP_H保护方案。

在大多数情况下，过电压OVP_L保护都可以使母线电压Vdc有效地快速降下来。为了进一步提高系统的可靠性，控制模块的软件中还做了过电压OVP_H保护来应对搭载了无电解电容变频器的系统在使用时出现的不正常控制导致的母线电压Vdc进一步升高的情况。

如图1所示，对于过电压OVP_H保护，是通过AD采样进行软件比较控制来触发的。由于OVP_H的保护阈值(即第二高压阈值)比OVP_L的保护阈值(即第一高压阈值)还要高，这时候通常发生在电机在高速时陡然发生故障而停机，并在高速发生故障停机后，由于电机所受外力而反转的情况，这个时候电机本身的电阻R和电感L储存的能量加之产生的反电动势Keω及外部强加的转动惯量会使母线电压Vdc发生泵升，为了快速消耗掉这些能量，避免超过电路中元器件的耐压值，通过零矢量刹车迅速消耗掉这些能量。

具体地，控制模块的处理器获取AD采样的母线电压Vdc，先执行AD校准以补偿误差，再经过LPF(Low Pass Filter，低通滤波器)过滤高频噪音，将处理过的母线电压Vdc输入第二过电压比较器50的负极输入端，以与第二过电压比较器50的正极输入端接入的大小等于第二高压阈值的参考电压OVP_H相比较，当母线电压Vdc大于第二高压阈值时，第二过电压比较器50的输出端就输出第二过电压故障信号OVP_H_Fault，进而生成零矢量刹车指令Zero Vector Break，以控制变频器零矢量刹车。

进一步地，控制模块还配置有锁存器Latch，锁存器Latch的set输入端连接至第二过电压比较器50的输出端，锁存器Latch的reset输入端连接至故障清除信号FaultClear的输出源，锁存器Latch的输出端连接至处理器。当第二过电压比较器50输出第二过电压故障信号OVP_H_Fault时，锁存器Latch锁存第二过电压故障信号OVP_H_Fault，处理器据此生成零矢量刹车指令Zero Vector Break；当锁存器Latch接收到故障清除信号FaultClear时，则锁存故障清除信号FaultClear，处理器恢复正常运行，控制逆变模块20正常驱动电机。

图2示出了变频器在进行过电压OVP_H保护零矢量刹车时6路驱动PWM信号的输出状态。当控制模块的处理器生成零矢量刹车指令ZeroVector Break时，处理器向变频器的逆变模块20输出的3路上桥臂PWM信号U_P、V_P、W_P均为OFF(即状态为0)，3路下桥臂PWM信号U_N、V_N、W_N均为ON(即状态为1)，以将能量消耗在电机上，从而避免电机中的能量回馈至母线导致母线电压Vdc泵升。

进一步地，如图3示出了电机在零矢量刹车保护状态下的短路电流和感应电压变化曲线，图中的横坐标为时间(单位为s，秒)，左侧纵坐标为电流(单位为A，安培)，右侧纵坐标为电压(单位为V，伏特)。如图3所示，当无电解电容变频器搭载电机为PMSM(Permanentmagnet synchronous motor，永磁同步电机)，并进行过电压OVP_H保护零矢量刹车时，通过对理论上流过电机的最大电流(即短路电流)进行分析，并令该最大电流低于电机的退磁电流，以确保足够的保护余量，可确保实际系统不会因电机退磁而损坏。

具体地，短路电流的计算式为

其中，E_m＝Ke×N/1000，

这里，Ke是电机在1000rpm(round per minite，转每分)时的1相的感应电压，P是电机的极数，N是1min的转速(rpm)，θ为电机当前相位。由I(t)的表达式知，其由定常电流和过渡电流组成，一段时间过后，过渡电流一变小，电流就稳定了，只流过稳定电流。图3具体是当θ为0°的时候过电压OVP_H保护时理论上的零矢量刹车瞬间最大电流，只要退磁电流比合计电流I(t)初始一段时间最大电流高就有很大的保护余量。

综上，图4示出了无电解电容变频器的母线电压Vdc保护逻辑。LVP是母线电压Vdc的低电压保护，其保护策略为令控制逆变模块20的6路驱动PWM信号的输出均关断，其反应速度要求是微秒级别，主要作用是防止瞬时停电恢复时的母线电压Vdc升高。过电压保护OVP是两级保护，OVP_L的保护阈值设的比OVP_H的保护阈值低。当母线电压Vdc达到OVP_L的保护阈值时，6路驱动PWM信号的输出均关断，同时外部中断电平有效，通过中断触发，输出方波信号控制制动电阻R_break进行刹车，将母线电压Vdc的能量消耗在制动电阻R_break上，进而使母线电压Vdc迅速降低。作为OVP的第一级保护，其保护应答速度要求也是微秒级别。在大多数情况下，OVP_L保护都可以使母线电压Vdc有效地快速降下来。为了进一步提高系统的可靠性，软件中还做了OVP_H保护来应对搭载了无电解电容变频器的系统在使用时出现的不正常控制导致的母线电压Vdc进一步升高的情况。当达到OVP_H的保护阈值时，通过零矢量刹车，使能量消耗在电机上的方法使母线电压Vdc迅速下降。

在一些实施例中，对过电流OCP故障提出了保护方案。

如图1所示，在变频器的主电路上设置直流母线电流检测器DCCT以采集母线电流，并连接至过电流比较器60的负极输入端，电流比较器60的正极输入端则接入大小等于电流阈值的参考电流OCP，电流比较器60的输出端连接至控制模块的硬件关断脚Gatekill。当母线电流大于电流阈值时，过电流比较器60就向硬件关断脚Gatekill输入过电流故障信号，使得过电压OVP_L保护和低电压LVP保护和过电流OCP保护实现并行的应答速度。

此外，控制模块还外置有逆变模块20的驱动电路，由控制模块经6PWM端口输出驱动信号来控制，进而输出控制逆变模块20的6路驱动PWM信号。当驱动电路故障时，也会向硬件关断脚Gatekill输入故障信号，此时将该故障也归为过电流OCP故障。

这样，OVP_L、LVP、OCP以及PWM驱动电路故障均会触发控制模块的硬件关断脚GateKill，从而斩断6路驱动PWM信号输出驱动逆变模块20的主电路的IGBT。

在一些实施例中，虽然硬件关断脚GateKill可以快速反应，实现可靠的故障保护，但硬件关断脚GateKill仅在接收到故障信号时被触发，无法分辨不同的故障信号。通过令处理器读取不同的故障标志位，并生成相应的故障信息，可便于用户了解故障情况，并制定相应的维修计划，有助于减少故障发生率，延长产品的使用寿命。

具体地，图5示出了无电解电容变频器的故障保护逻辑。将不同的故障标志位均综合到FaultFlags结构体中，通过读FaultFlags中不同的故障标志位来区分不同的故障。如图5所示，故障标志位OVP_H、SyncFault、PhaseLoss、ZeroSpd分别对应于过电压故障OVP_H_Fault、同步故障SyncFault(软件故障)、缺相故障PhaseLossFault(硬件故障)、零速故障ZeroSpdFault(软件故障)，这些故障都不会触发硬件关断脚GateKill。由图1可知，硬件关断脚GateKill在传统的有电解电容变频器的基础上增加了母线电压Vdc的过电压OVP_L故障和低电压LVP故障的硬件保护，它们也会触发硬件关断脚GateKill，如果将它们以及过电流OCP故障识别出来，就需要FaultFlags结合其他的条件进行判断。具体来说，由于母线电压Vdc达到第一高压阈值的同时，不仅会触发硬件关断脚GateKill来关断6路驱动PWM，同时还会触发中断指令INT，使控制模块输出脉冲来导通控制制动电阻R_break导通的触发晶体管40。因此结合中断服务程序中相应的标志位状态可以区分出过电压OVP_L故障。当控制模块检测到硬件关断脚GateKill信号的同时，通过读取母线电压Vdc的瞬时值，由于无电解电容变频器的母线电压Vdc是波动的，当检测到母线电压Vdc的瞬时值比正常的波谷值还低很大余量，即小于低压阈值VdcLVPThr时，可认为发生了低电压LVP故障。当没有检测到中断指令INT，同时采样的母线电压Vdc的瞬时值也在正常波动范围内，则可认为是过电流OCP故障或者驱动电路故障。

本发明另一个方面的实施例提供了一种变频器，包括如上述任一实施例的故障保护装置，因而具有该故障保护装置的全部有益技术效果，在此不再赘述。

如图1所示，在一些实施例中，变频器还包括整流模块10、滤波薄膜电容C_Film和逆变模块20，整流模块10用于将交流信号变换为直流信号；滤波薄膜电容C_Film设置在整流模块10的输出端；逆变模块20设置在滤波薄膜电容C_Film的下游，用于将直流信号变换为预定频率的PWM驱动信号。该变频器可将交流信号先变换为直流信号，再进行滤波，最后转变为预定频率的PWM驱动信号，实现对后续交流电设备的可靠驱动。滤波薄膜电容C_Film取代了传统的电解电容，可减小整个变频器的体积，降低硬件成本，提高可靠性。

本发明再一个方面的实施例提供了一种电机驱动系统，包括输入电源、电机及如上述任一实施例的变频器，变频器连接在输入电源和电机之间。该电机驱动系统包括上述任一实施例的变频器，因而具有该变频器的全部有益技术效果，在此不再赘述。

在一些实施例中，电机为永磁同步电机，永磁同步电机在零矢量刹车状态下的电流始终小于永磁同步电机的退磁电流，也就是令电机理论上的瞬时最大电流低于电机的退磁电流，可确保足够的保护余量，避免电机在零矢量刹车保护过程中退磁，提高了电机驱动系统的可靠性。

在本说明书的描述中，术语“连接”、“安装”、“固定”等均应做广义理解，例如，“连接”可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

在本说明书的描述中，术语“一个实施例”、“一些实施例”、“具体实施例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或实例。而且，描述的具体特征、结构、材料或特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

以上仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (14)

1.一种故障保护装置，用于变频器，其特征在于，所述故障保护装置包括：

采样电路，用于采样所述变频器的母线电压；

比较电路，其输入端与所述采样电路的输出端相连，所述比较电路根据异常的所述母线电压生成相应的故障信号；及

控制模块，其与所述比较电路相连，所述控制模块根据所述故障信号控制所述变频器停止输出PWM驱动信号。

2.根据权利要求1所述的故障保护装置，其特征在于，

所述控制模块包括硬件关断脚，其与所述比较电路的输出端相连，所述硬件关断脚根据接收到的所述故障信号控制所述变频器停止输出所述PWM驱动信号。

3.根据权利要求1或2所述的故障保护装置，其特征在于，所述比较电路包括：

低电压比较器，所述低电压比较器根据小于低压阈值的所述母线电压生成低电压故障信号；及

过电压比较器，所述过电压比较器根据大于第一高压阈值的所述母线电压生成第一过电压故障信号。

4.根据权利要求3所述的故障保护装置，其特征在于，

所述采样电路包括串联的第一采样电阻和第二采样电阻，所述采样电路的输出端位于所述第一采样电阻和所述第二采样电阻之间。

5.根据权利要求3所述的故障保护装置，其特征在于，

所述故障保护装置还包括制动模块，用于在导通状态下消耗所述母线电压的多余能量；

所述过电压比较器还根据大于所述第一高压阈值的所述母线电压生成中断指令；

所述控制模块还包括处理器，其与所述过电压比较器的输出端及所述制动模块相连，所述处理器根据所述中断指令导通所述制动模块。

6.根据权利要求5所述的故障保护装置，其特征在于，

所述制动模块与所述采样电路并联，所述制动模块包括串联的制动电阻和触发晶体管，所述处理器与所述触发晶体管的基极相连。

7.根据权利要求6所述的故障保护装置，其特征在于，

所述制动模块还包括与所述制动电阻并联的续流二极管，所述续流二极管的导通方向与所述触发晶体管的电流方向相反。

8.根据权利要求5所述的故障保护装置，其特征在于，

所述处理器还根据所述中断指令生成第一过电压故障信息；和/或

所述处理器还与所述采样电路的输出端相连，所述处理器还基于所述母线电压小于所述低压阈值的情况，生成低电压故障信息。

9.根据权利要求3所述的故障保护装置，其特征在于，

所述控制模块还与所述采样电路的输出端相连，所述控制模块根据大于第二高压阈值的所述母线电压生成零矢量刹车指令，所述第二高压阈值大于所述第一高压阈值。

10.根据权利要求1或2所述的故障保护装置，其特征在于，所述故障保护装置还包括：

直流母线电流检测器，用于检测所述变频器的母线电流；

过电流比较器，其输入端与所述直流母线电流检测器的输出端相连，所述过电流比较器根据大于电流阈值的所述母线电流生成过电流故障信号；

所述控制模块还与所述过电流比较器的输出端相连，所述控制模块还根据所述电流故障信号控制所述变频器停止输出所述PWM驱动信号。

11.一种变频器，其特征在于，包括：

如权利要求1至10中任一项所述的故障保护装置。

12.根据权利要求11所述的变频器，其特征在于，所述变频器还包括：

整流模块，用于将交流信号变换为直流信号；

滤波薄膜电容，设置在所述整流模块的输出端；

逆变模块，设置在所述滤波薄膜电容的下游，用于将直流信号变换为预定频率的PWM驱动信号。

13.一种电机驱动系统，其特征在于，包括：

输入电源；

电机；及

如权利要求11或12所述的变频器，所述变频器连接在所述输入电源和所述电机之间。

14.根据权利要求13所述的电机驱动系统，其特征在于，

所述电机为永磁同步电机，所述永磁同步电机在零矢量刹车状态下的电流始终小于所述永磁同步电机的退磁电流。